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科学论:Curiosity 火星探测车(更新:成功着陆!)

Andy Yang
2012 年 8 月 6 日, 早上 08:00


史上最贵的火星任务 Curiosity(中译「好奇号」)火星探测车,即将在本地时间今天中午左右开始它的「惊险七分钟」,瞄准火星赤道附近的盖尔撞击坑进行着陆。无论是探测车的设计、搭载的仪器、进行的任务还是降落的方法,Curiosity 都是火星探测史上当之无愧,最有野心的一个计划。在降落进入最后倒数的同时,让我们一起来看看这台有高尔夫球车大的探测车到底厉害在哪里吧!

更新:Curiosity 撑过了超复杂的着陆过程,在本地时间八月六的下午 1:33 顺利着陆!Curiosity 并已传回第一张照片,证明应该大部份的机具应该都是正常运作的。

什么是 Curiosity?



Curiosity 原名「火星科学实验室(Mars Science Laboratory),是美国太空总署(NASA)的第三代火星探测中,也是目前为止最大的一台。第一代的旅居者(Sojourner)探测车大约只有台微波炉大,随着火星探路者(Mars Pathfinder)任务一同于 1997 年着陆火星,主要是做为技术测试平台使用,为后来的任务铺路。旅居者一共在火星上跑了 83 个火星日1,总行进距离约 100 公尺左右(但从没有离开 Pathfinder 的周围),拍回了 550 张的照片。

第二代的火星探测车,就是精神号和机会号这两个我们网站的常客。两台探测车长得一模一样,在设备完全开启时高 1.5m,宽 2.3m,长 1.6m;是相当大台的探测车,也是首个没有「基地」,所有的通讯、仪器全部带在车子上的火星探测任务。精神号和机会号以长寿出名,靠着地球上科学家的努力,2004 年着陆的精神号一直撑到 2010 年三月才寿终正寝,任务总长是预定长度 90 火星日的 21.6 倍;而晚它三礼拜着陆的机会号,则依然在火星上努力着,目前在一个名为奋进撞击坑的陨石坑附近徘徊观测,总共行进的距离已长达 34.5 公里。

有这么些名声显赫的前辈,Curiosity 肩上的压力自然不小。做为第三代的机种,Curiosity 有着从精神号和机会号上学来的大量经验供参考,而设计上最主要的差异,就是将电力的来源从太阳能换成了核热能 -- 精神号和机会号因为天气的缘故常常太阳能板上会积沙尘,让科学家们常常不得不精打细算地计算每天可以跑多远、开多少仪器,而采用核热能的 Curiosity 就没有这个麻烦,不论什么天气、季节都能正常运作。此外,Curiosity 比前辈们又要大上不少,长度有三公尺左右,重量更是重达 900 公斤。这体型和轮胎大小,意味着 Curiosity 每小时最多能跑 90 公尺,并翻过高达 75 公分的障碍物。

Curiosity 的任务是什么?



好奇号的基本任务和前辈们并无二致,只是因为它的体型,所以能对更大的范围做更详细的研究。在地质上分析火星的地形和矿物,以判断火星的过去和现在是否有水的存在,以及水是否在地形形成的过程中扮演着角色;在气候上分析火星大气的历史;当然还有最重要的,试图找出火星是否有生命存在。除了这几个之外,Curiosity 还在飞向火星的路途上测量受到的总辐射强度,做为未来人类探测火星时的参考。

Curiosity 的电力来源是什么?

Curiosity 的 RTG 模组

前面有提到 Curiosity 的电力来源不是太阳能,而是「放射性同位素热发电机(Radioisotope Thermoelectric Generator,简称 RTG)」。Curiosity 的 RTG 其实与其说是发电机,它和电池还比较接近,利用钚-238(这是一个没有核分裂能力的钚同位素)在自然衰变的过程中释放出来的热,再转换成电力来发电。Curiosity 上的模组在任务初期可以可靠地在任何状况下提供约 125 瓦的输出,这个数字会随着燃料的衰变而逐年降低,但 14 年后应该还有 100 瓦。这让 Curiosity 任务期间的每日总发电量大约在 2.5 度(瓩小时)附近,比精神号和机会号的 0.6 度要高出许多。

Curiosity 带了什么设备?


Curiosity 的主控电脑采用的是以 IBM 的 PowerPC 750 为基础的 RAD750 处理器,时脉大约是 200MHz,一共有 256K 的 ROM、256MB 的 RAM、2GB 的闪存记忆体。这规格好像和前两年的低端手机相当,比现在的智能手机是要弱多了。但你的手机上不了太空,是吧?

至于相机,Curiosity 带了四个,都是采用相同的 1600x1200 像素感光器,并且有 720/10p 的录影能力。装在立着的桅杆上就有两个,一个中焦段定焦、一个望远定焦。本来承包商开发好了变焦镜头的,但可惜因为测试时间不足,最后没能安装上去。第三颗装在延伸出去的手臂上,是一颗用来近距离拍摄石头用的微距镜相机;而第四颗则是装在 Curiosity 的肚子底下,司职在降落过程中持续拍摄下方的地形,在整个过程中最多以拍到 4000 张相片,作为之后在火星上漫游时的参考。此外,Curiosity 还有在四个角落各装有一颗避开障碍用的黑白摄影机,以及在桅杆上有另两个黑白的导航用相机。

科学仪器的部份,Curiosity 有四个光谱仪,包括首见的镭射光谱仪,用高能镭射在远达七公尺外气化分析目标,在分析过程中发出的强光;另三个是比较传统的 Alpha 粒子 X 光光谱仪、分析晶体结构的 X 光散射分析设备、以及分析气体用的气相光谱仪。这些仪器提供了 Curiosity 地质分析的能力,而其他器材则以大气分析及天气纪录为主。

Curiosity 的降落过程是什么样子?


如同前面所说的,Curiosity 着陆的过程被 NASA 称为是「惊险七分钟(Seven minutes of horror)」,因为从火星大气层上空开始到着陆为止,一共只有七分钟的时间,但是地球上的信号要抵达火星却要 14 分钟 -- 换言之,等到地球这边得到确认 Curiosity 已经开始着陆的同一时间,Curiosity 究竟着陆成功与否就已经是定数了。整个过程当中地球人是完全无能为力,只能看 Curiosity 上的自动系统是否能顺利完成工作。

基于 Curiosity 的体型和重量,前两代车子使用的「安全气囊弹跳着陆法」已经不适用,而传统的火箭反推着陆法则因为担心扬起的粉尘会损坏仪器,也被放弃。因此科学家不得不重新为 Curiosity 设计一种复杂无比的新着陆方式。

第一步是利用火星的大气层来减速 -- 这部份和地球上载人火箭返回时的方法没有什么不同,一个特别设计的隔热盾在降落的过程中提供保护,将外面高达摄氏 2100 度的高温隔离。从 80km 的高空,一直到 11km 的高度为止,都由隔热盾产生的阻力来减速,同时提供一定程度的导航,可惜火星的大气密度终究是不如地球,无法像太空梭那样滑翔着陆,因此下一步就要靠降落伞来接手了。

但 Curiosity 的降落伞也不是什么普通的降落伞,而是可以撑着两倍音速的压力的特别设计。这个降落伞与前一代的设计相同,但面积大了一倍多。到了 8km 的高度时,Curiosity 已经被减速到约每小时 500 公里的时速,此时下面的隔热盾会脱离,露出前面提到,负责拍摄地面景象的相机和六道测量高度的雷达波。这些雷达波提供的高度数据对下一个阶段来说至关重要。

隔热盾脱离后约 80 秒,是这个着陆过程最刺激的部份 -- Curiosity 脱离降落伞,开始自由落体。此时的高度约为 1.6km,时速大约是 225 公里左右,载着 Curiosity 的着陆装置在离开降落伞一小段距离后会先发射横向火箭,避免进一步减速的过程中和降落伞又撞在一起,随后发射向下的垂直火箭,将 Curiosity 在离地 20 公尺左右时进一步减速到基本上接近飘浮在半空中。

如果是传统的火箭着陆的话,只要一直发射到落地就好了,但 Curiosity 为了避免仪器受损,还不得不再经过一道程序 -- 这时候,一组长长的缆绳会开始将 Curiosity 垂吊下来直到安然落地为止。得知 Curiosity 已经落地的着陆装置这时候会自行断开缆绳飞向一侧,避免撞上刚降落的 Curiosity。最后再将电脑从降落模式切换成地表模式,就大功告成啦!

接下来呢?

目的地的盖尔撞击坑

从上面的描述,就可以大概了解到整个过程的复杂与技术上的困难。假设真的一切顺利的话,在地球上的我们会约近 14 分钟后收到第一份确认信号,但因为火星的自转的关系,接下来地球就会「下山」,不再能直接与火星通讯,接下来的信号都要经由在火星轨道的人造卫星代为转发。Curiosity 接下来会在原地呆大概五天的时间将桅杆和机器手臂伸出、做自我检查,确定没有任何仪器或零件在降落的过程中受损、并且观看四周,确定轮子底下的状况。Curiosity 选择的着陆点应该没有什么特别麻烦的地形,但如果运气不好,刚好一只脚放在颗大石头上的话,科学家也要能研空出怎么安全地将它开出来才行。最后,就是确认所在的精确位置(在没有 GPS,天上的卫星也看不到它的情况下,这工作没有想像中容易呢),然后就可以出发啦!

Curiosity 的主要任务期是一个火星年,或差不多地球的两年(准确的说,687 天),以探测盖尔陨石坑和周边为主。当然,在这个阶段没人敢对 Curiosity 的未来打什么包票,但考虑到机会号在八年后依然老当益壮,Curiosity 的未来应该很能令人期待才是。

不过这一切都建立在它能不能撑过「惊险七分钟」的前提之下,所以 Curiosity,加油!

注1:一个火星日是火星自转一圈所花的时间,比一个地球日略长一点点,大约是 24 小时又 40 分钟左右。

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